2016 VOL.26

Review

��
写真位置�
削 除し ないでください�

高強度パルス重イオンビームの開発と高強度パルス重イオンビームの開発と�
材料表面処理技術への応用
材料表面処理技術への応用�
�伊藤*
伊藤�弘昭
弘昭

H. Ito１．まえがき

磨き仕上げとなっている．そのため手磨き工程は熟練者の高強度パルスイオンビームは，パルス電力技術と呼ば技能に大きく依存し，長時間を要するため効率化改善が課れる高電圧・大電力パルス発生技術を用いて発生されるパ題となっている．また，金型は使用に伴って摩耗や変形しルス幅 ����� 程度でイオン電流が �� を超えるイオンビーてしまうので，耐摩耗性を改善するために，硬質クロムめ�

ムを指す．比較的容易に発生できる �������� のビーム電っき，物理的蒸着法や化学的気相蒸着法による皮膜処理な流密度であっても，従来のイオンビームと比べると電力密ど様々な表面処理が施されている．この金型の消耗という度は格段に高い．このため，材料開発への応用を目的とし問題は従来からの課題となっている．

た研究開発が行なわれている．このようなパルスイオンビ

そこで，本研究は上述した高強度パルスイオンビームームを材料表面に照射すると，イオンの浸入深さ程度（数の特徴を生かし，パルスイオンビーム技術のさらなる応用

百 ��：イオン種やビームエネルギーに依存する）の表面として，金型材料への高強度パルス重イオンビーム照射に層をパルス幅程度（数百ナノ秒）で断熱的に加熱することよる金型の表面仕上げと耐摩耗性向上などの表面改質処ができる．加熱された表面層はビーム照射終了後，材料深理を同時に行うことができる新しい表面処理技術の確立

層への熱拡散で急速に冷却されることから，加熱と冷却のに向けた基盤技術の開発，および基礎的な研究を行ってき速度が ���������� を超える超高速熱過程を実現できる．

た．このような表面処理技術を実現するためには，多様なターゲットの到達温度はターゲット材料，パルス幅，ビーイオン種の発生，ビーム純度の向上，イオンエネルギー・ムイオン種，加速エネルギーに依存するが，例えば ���電流密度の制御などが必要となり，これに対応したビームにパルス幅 ������ 程度の窒素等の中質量イオンを照射す技術が必要である．しかし，従来のパルスイオン技術では，る場合 ��������� 程度で ����℃まで加熱することができ，誘電体の表面フラッシュオーバーを利用したイオン源を高速の熱プロセスによる再結晶化，アモルファス化，注入用いているため，発生されるビームは主に陽子ビームであイオンの活性化などの効果が期待できる�����．さらにパワり，また純度は通常のイオンビームに比べて格段に低い

ー密度を増加させると，照射された固体表面層は気化温度�����を超え，アブレーションプラズマと呼ばれる高フラックスされてきた．�

．このため，これらの材料分野への応用が大きく制約の粒子束が生成される．これを利用することで高速の薄膜

10)
本稿では，これまで開発してきた真空アーク放電 を利生成が可能となる �����．これらの効果はパルスレーザーを用したイオン源を組み込んだ新しい高強度パルス金属イ利用しても得られるが，パルスイオンビームは極めて効率

オンビーム源，及びイオンビームのイオン純度向上およびの高いエネルギー寄与，イオン種・エネルギーの選択によ

多様なイオンビーム発生が可能なパルスイオンビーム発る付与エネルギープロファイルの制御，イオン導入を同時生 法 で あ る 両 極 性 パ ル ス 加 速 器 （ �������� ������に期待できる，広い面積への同時処理などの特徴を有している．このため高強度パルスイオンビームの材料プロセスへの応用が注目されている．�

�����������：���）�������の結果についても述べる．最後に，高強度パルスイオンビームを用いた表面処理技術実現に向けて，その基礎的な研究として金属などの固体材料へパルスイオンビームを照射してその有用性を検証したの一方，塑性加工において，金型は製品の品質を決定する重要なものであり，その製作には多くの時間とコストがで，それらの結果について述べる．

費やされている．金型の製作において，表面粗さの低減，２．パルス重イオンビーム発生実験

マイクロクラックなどの表面欠陥層の除去，形状精度改善� ���� パルス金属イオンビーム源�のために最終的には磨き仕上げが行われるが，ほとんどの

� 図１にパルスイオンビーム発生装置の断面構造を示す．

金型は複雑な形状をしているため自動化は困難であり，手装置は真空イオンダイオードおよび加速パルス発生用同* 富山大学電気電子システム工学科教授- 89 -�2016 VOL.26

軸マルクス発生器から構成されている．イオンダイオード

極は加速ギャップに電子流絶縁用の磁場を発生させるたは正の高電圧パルスが印加される陽極と接地電位に保持めに８の字形状の巻き線形状となっており，� ターンの磁される陰極から構成されている．陽極の内部にはイオン源場コイルとして動作する．磁場コイルには ����，����のとしてプラズマガンが設置されており，陰極は加速ギャッコンデンサバンクが接続されており，立ち上がり時間がプに電子絶縁のための横磁界を発生する磁気絶縁コイル

����のパルス電流によって加速ギャップの中央部に �����として動作する．�の均一な横磁場が発生する。実験はギャップ長 ���������，加速電源として用いた同軸型マルクス発生器は，ドアノ真空度 �������� で行った。�

ブ型のセラミックコンデンサを円筒状に配列した � ステ

図 � の挿入図にパルスイオンビーム源用のイオン源とージの構成で，各ステージの定格充電電圧は����� であして使用された真空アークイオン源の電極構造を示す．電る．発生器は絶縁油で満たされた直径 ����，長さ ����極は円筒状の外電極と棒状の内電極からなる同軸構造との円筒タンク中に設置されている．マルクス発生器のスイなっており，内電極を陰極，外電極を陽極としている．陽ッチとして � 個の電界歪型放電スイッチが使用され，これ極は内径 ����，外径 ����，陰極は外径 ����で，何れも純らをトリガーすることにより負荷にパルス電圧を供給すアルミニウム製である．陽極の先端には直径 ����のアパる．出力定格は，開放端電圧 �����Ｖ，合成容量 �������，ーチャーが取り付けられており，テーパー状の陰極と陽極蓄積エネルギー���Ｊである．

アパーチャーとの間に ��� の放電ギャップを形成しており，この間で真空アーク放電が発生すると電極のアブレー

Capacitive
DividerInsulating Oil
Anode

Magneticallyinsulated Ion
diode

ションによりプラズマが生成される．このイオン源の先端は，ダイオードの陽極から �����上流の軸上に設置され，����，���Ｖのコンデンサバンクで駆動する．�

Cathode図 � は装置動作時のダイオード電圧（��），ダイオードSW電流（��），ビームのイオン電流密度（��）の典型的な波Pump形を示す．実験はマルクス発生器の充電電圧を ���� とし，アークイオン源の放電電流の立ち上がりから ����後に加Marx Generator
240 kV, 8.3 nF
240 J

Plasma Gun

速ギャップに高電圧パルスを印加した．イオン電流密度は，ア

Rogowski Coil
Insulator

ノード電極から����� 下流に設置されたバイアスイオンコレクター（BIC）で計測された．図より，ダイオード電圧と電流は

図 �� パルス重イオンビーム発生装置の概略図�

ほぼ同時に立ち上がり，それぞれピーク値 �����，����

図 � は磁気絶縁ダイオードの構造を示す．ダイオードとなっている．このときイオン電流密度 �� はダイオード

は先端が直径 ����，長さ ������の円筒状の陽極，および電圧 Vd の立ち上がりから約 ���� 後に立ち上がり，ピーク格子構造の陰極から構成されている．陽極内部にはイオンイオン電流密度 ��������，パルス幅 �����のパルスイオン源としてアルミニウム真空アークイオン源が設置されてビームが得られていることがわかる．

おり，加速ギャップに向けて高密度プラズマが供給される．
陽極の先端には直径 ����，厚さ ����のステンレス板が取り付けられており，その中央部には直径 �����の開口部が設けられている．�
陰極は，厚さ ���，幅 �����のストリップ状の燐青銅板で作製されており，加速されたイオンに対して高い透過率を確保するため中心部は格子構造になっている．また，陰図 �� ダイオード電圧（��），ダイオード電流（��），ビームのイオン電流密度（��）の典型的な波形
次に，イオンビームのエネルギーとイオン種をトムソンパラボラ分析器（�����������������������������：���）を用いて評価した．図 � にイオントラック検出プラスチッ
ク ��－�� に記録されたトラックパターンの一例を示す．

図 �� 磁気絶縁ダイオードの概略図�

- 90 -

Energy (keV/Z)

2016 VOL.26スが印加される．両極性パルス加速器の基本動作は，ドリ50

フト管に両極性パルスが印加されると，まず負極性の電圧
Al+Al2+Al3+パルスが印加されるので，��� ギャップに到達したイオン

H+100

ビームはドリフト管に向かって加速される�図 � 参照�．その後，加速されたイオンビームの先端が ��� ギャップに到200達した時にパルスの極性が反転して正極性の電圧が印加される．これによりイオンは ��� ギャップで再加速される．
従来のパルスイオンビーム技術に対して両極性パルス加図 �� 観測されたトラックパターン�
分析器の質量分解能が不十分のため，重イオンについては正確な電荷・質量比を評価することはできないが，アルミニウムイオンを仮定すると � 価，� 価，� 価に対応する位置にトラックが観測されていることがわかる．また，水素原子イオンに対応する位置にもトラックが観測されてお速器の主な特色は以下の通りである．�
����イオン源を接地電位とすることができる．�
����イオン種の質量差に伴う走行時間差を利用して不純物イオンの除去が可能で，イオン純度の向上が期待できる．�
�����回の加速によりパルスパワー装置出力電圧の�倍のり，�� イオンおよび不純物である水素イオンが加速されていると推定される．図 � より，���，����，����，および�� のエネルギーはそれぞれ ����������，����������，����������，���������� である．イオントラックの計数により各イオン種の構成比の評価を行った．その結果，全トラックに対するアルミニウムイオンの合計（���，�����，�����）の割合は ��％と評価され，��％のイオン純度が得られていることが分かった．この結果から，金属などの導電性の固体をイオン源とした高強度パルス重イオンビーム発生技術の開発に成功した．

加速エネルギーが得られる．さらに，ドリフト管を接続することで，多段加速器に拡張することができる．�
図 � に実験に使用した実験装置の磁気絶縁ギャップの概要図を示す．ドリフト管は電子絶縁用磁界コイルとしても動作し，加速ギャップに横磁界を生成する．高い伝送効率を得るためにコイルの左右��陽極と陰極に面する面��
は，それぞれ � 本の燐青銅板からなる格子構造で，各燐青銅板は直列に接続されており，��ターンのコイルを構成している。ドリフト管には高電圧が印加されるため，磁場発生用のパルス電流は誘導的に絶縁されたコイルを介して外部コンデンサバンク（���������）から供給され，ギャ���� 両極性パルス加速器ップ間に ����� の電子絶縁用磁場を生成する．陽極内にはこれまで多種のイオン種を発生させるためプラズマガイオン源としてプラズマガンが取り付けられている．�

ンをイオン源に用いたパルス重イオンビーム発生技術を開発し，元素が気体，または金属である各種イオン種のイオンビーム発生を可能にした．ビーム純度に着目すると，開発されたビーム発生技術では ���前後であった．ビーム
純度 ��～���程度の従来のビーム発生技術に比べると純度はかなり向上したが，さらなるイオン純度向上を目指した新しいパルス重イオン加速器として両極性パルス加速

陽極表面から ���� の位置（ドリフト管内），および陰極から ���� に ��� を設置し，��� ギャップおよび ��� ギャップで加速されたイオンビームの計測を行った．実験では，イオン源として窒素ガスパフプラズマガンを使用し，���ギャップおよび ��� ギャップのギャップ長を ����，絶縁磁界強度 ����� とした．�
図 ��に実験結果を示す．この結果は � 個の ��� を設置器の開発を行った．�
図 � に ��� の動作原理の概略図を示す。��� は，接地電位の陽極，ドリフト管，接地された陰極の三電極から構成して同時計測ができないため異なるショットのものである．図 ����より，1st ギャップの下流では，イオン電流密度されている．加速用電源はドリフト管に接続されており，
Cathode(grounded)

負パルス�持続時間���と正パルスの連なった両極性パル
1st gap

drift tube

Drift tube
2nd gapB

ion sourceBgroundedcathodegrounded
anode

B

Bipolar Pulse0pt1

MagneticCoil

Anode(grounded)

IonSource

V0-V0Bt

図 �� ��� の磁気絶縁ギャップ概要図�

図 �� 両極性パルス加速器の概要図- 91 -

2016 VOL.26

�����������，パルス幅～�����，が得られていることがわ

照射前

かる．イオン電流密のピークは両極性パルスの負パルスの照射後ピークから ���� 遅れており，この遅れ時間から 1st ギャップ加速後のイオンのエネルギーは，� 価の窒素イオンを仮定すると ������ 程度と見積もることができ，この値は加速電圧とほぼ一致する．一方，��� ギャップ加速後のイオン電流密度 ��� は力性パルスの正パルスのピークから
図 ��ステンレス材料のビーム照射前後の ��� 画像�

������ の遅れで ������� のピーク値，パルス幅～����� というパルスイオンビームが観測された．今回の実験で使用されたドリフト管はエネルギー������ の � 価の窒素イオンに対して設計されたものであることを考慮に入れて，この時間差から，イオン種とエネルギーを評価すると，� 価の窒素イオンが ������ 程度のエネルギーまで加速されていると考えられ，��� ギャップで特定のイオン種（窒素イオン）のみが追加速されていることがわかった．この結果から，両極性パルスによるパルス重イオンビームの多段静電加速を実証することができた．なお，��� は ��� に比べて極めて低い値となっている．これはドリフト管の長さとビーム長が整合されていないこと，ビームの発散の影響によりビーム管内でのビーム伝搬効率が低いことなどによる表面が溶融・再凝固したあるいは表面の一部がアブレーションしたことにより除去されたため，表面の結晶性が大きく変化したことを示唆している．次に，イオンビームのイオン種や照射回数を変えた時，ステンレスターゲットの硬度に及ぼす影響を調べた．その結果を表 � に示す．ここで� と � はそれぞれ陽極先端からの距離と中心軸からの距離を表す．表 � より，いずれの照射条件においてもビーム照射前に比べて硬度が低下していることがわかる．硬度の低下はビーム強度の高い中心軸上（�����）で著しく，ビーム種では窒素の場合に大きく低下する傾向にある．また，窒素についてはビーム照射回数が増加すると，硬度が低下することがわかった．�と考えられる．�

1.0k00-50-5I0-15040-10Ji301000100V050500-50-5-100Fe (1 1 0)200time (ns)3003Cr Fe Ni (1 1 1)

Cr Fe Ni (2 0 0) Fe (2 0 0)

-15

1.2k

Cr Fe Ni (2 0 0)

afterFe (2 1 0)

Cr Fe Ni (2 2 0)

Cr Fe Ni (1 1 1)

0.6k

Ji

2Cr Fe Ni (2 2 0)

0.5k

-10I0-150

before10420-10-100(b)CPS

50-100Ji (A/cm2)

5100

15

I0 (kA)V0(a)Ji (A/cm2)

V0 (kV)100

150

10I0 (kA)
V0 (kV)150

10-1-100

10.00 20.00
0100

200time (ns)

300

40.00

2q （deg）

60.00

80.00

90.00

図 ��イオンビーム照射前後の � 線回折結果��

図 ��加速実験結果�
�

表 ��ビーム照射後のビッカース硬度�３．パルスイオンビームの照射実験

� 開発したパルスイオンビーム発生装置を用いて金属材料等への照射実験を行った．照射実験に使用したイオン種

照射位置z=300 mm，r=0 mm z=300 mm，r=40 mm

照射前

400 HVは水素および窒素である．また，ターゲット材料としてスH2１shot

358 HV373 HVテンレス，軟鉄，銅，アルミニウムを使用した．

N2１shot

334 HV346 HV� ステンレスターゲットにパルス窒素イオンビームを１N2 5 shot

249 HV304 HV

ショット照射した時の照射前後のターゲット表面の ���
画像を図 � に示す．ビーム照射前には明確な圧延痕がみられるのに対し，照射後は圧延痕が完全に消え，表面が滑らかになっていることがわかる．これはビーム照射によりス
テンレス表面が一旦溶融し，その後再凝固したためだと考�軟鉄および銅ターゲットにパルス水素イオンビームを１ショット照射した時の照射前後のビッカース硬度を表� に示す．軟鉄においては，ビーム照射前後で硬度の変化はほとんどなかったのに対して，銅ターゲットは大幅（約えられる．�
図 � は上記ステンレスターゲットのイオンビーム照射�� 倍）に硬度が向上した．ステンレスターゲットと同じ前後の � 線回折パターンを示す．照射前にみられた �� のようにビーム照射前後のターゲット ��� で評価を行ったピークが照射後には完全になくなっており，������ の結果，銅ターゲットにおいて ��� 面，��� 面，��� 面のピ�����面が顕著になっている．これはビーム照射によってーク強度が �～��� 倍に増加した．一方，軟鉄については- 92 -

2016 VOL.26させることができ，ターゲット材料とイオン種の組み合わ表 ��軟鉄および銅のビーム照射後のビッカース硬度�せによって，ビーム照射の効果が異なることがわかった．

試料

軟鉄

銅

照射前

157 HV38 HVあるが，この結果より，パルスイオンビームを利用した金H2１shot

151 HV728 HV属など各種材料の表面改質への応用が期待できることがイオンのドーピング効果については今後検討する必要が示された．今後，この研究によって開発したパルス金属イ�
ビーム照射後，��� 面のピーク強度が ��� 倍程度の増加がオンビーム発生技術は他の固体イオン源の開発にも拡張観測された．�

でき，加えてこれまでに開発した気体用のガスパフプラズ

最後に，アルミニウムをターゲット材料にして高強度パマガンを用いたパルスイオンビーム発生技術と組み合わ

ルス窒素イオンビームの照射実験を行った．実験は最初にせることで，多くのイオン種を発生させることができるの

アルミニウム表面に形成されている酸化膜を取り除くたで，今後ターゲット材料（金型材料）にあったイオン種をめにバフ研磨を行い，洗浄した後にビーム軸上の位置に設調べていく必要がある．目的にあわせてイオン種を選択す置して照射実験を行った．イオンビームの照射回数は �ることが可能となる．�

回である．図 �� にビーム照射前後のアルミニウムターゲットのＸ線回折パターンの結果を示す．この結果から，パ謝� 辞�

ルス窒素イオンビーム照射によってアルミニウムのピー

本研究は，公益財団法人天田財団からの一般研究開発助成

ク以外に窒化アルミニウムの � つのピーク ��������，により実施した研究に基づいていることを付記するとと��������，��������が現れているのがわかる．

もに，同財団に感謝いたします．

参考文献
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3) D. J. Rej, H. A. Davis, M. Nastasi, J. C. Olson, E. J. Peterson,
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図 ����� ターゲットのビーム照射前後の ��� パター

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ン�5) K. Yatsui, X. D. Kang, T. Sonegawa, T. Matsuoka, K.

４．まとめ�

Masugata, Y. Shimotori, T. Satoh, S. Furuuchi, Y. Ohuchi, T.

� 真空アークイオン源を使用したパルス金属イオンビ

Takeshita, and H. Yamamoto, Phys. Plasma 1, 1730 (1994).

ーム発生技術の開発を行った．加速電圧 ��������電流 �����6) C. A. Meli, K. S. Grabowski, D. D. Hinshelwood, S. J.

�Stephanakis, D. J. Rej and W. J. Waganaar, J. Vac. Sci.の条件で動作させた時．陽極から ����� 下流で ��������

Technol. A13, 1182 (1995).

を越えるイオン電流密度が得られた．また，加速イオンの

7） Y. Hashimoto, M. Yatsuzuka, and S. Nobuhara, Jpn. J. Appl.

分析を行った結果．イオンビームには � 価から � 価のアルミニウムイオンと水素イオンが含まれており，アルミニウムイオンの比率（純度）は ��％であった．また，イオン

Phys. 32, 4838 (1993).
8） K. Masugata, H. Okuda, K. Yatsui and T. Tazima, J. Appl.
Phys. 80, 4813 (1996).

純度の向上が期待できる新しいパルス重イオン加速技術である両極性パルス加速器の開発を行い，ガスパフ窒素イオン源を用いた加速実験において，特定イオンのみが ���ギャップおよび ��� ギャップで加速されていることが確認でき，両極性パルスを用いた静電多段加速を実証できた．

9) H. Ito, H. Miyake and K. Masugata, Rev. Sci. Instrum. 79103502 (2008).
10) I. Brown, Rev. Sci. Instrum. 65, 3061 (1994).
11) K. Masugata, Y. Shimizu, Y. Fujioka, I. Kitamura, H.
Tanoue and K. Arai, Nucl. Instrum. & Methods in Phys.

今後，電極構造等の改良を行い，より詳細に特性を評価する必要がある．�

Res. A 535, 614 (2004).
12) H. Ito, K. Igawa, I. Kitamura and K. Masugata, Rev. Sci.

ビーム照射実験の結果から，各種材料の表面状態を変化- 93 -Instrum. 78, 013502 (2007).�